航天火箭的涡轮泵,作为火箭发动机重要组合件中唯一一个高速旋转类机械,在业内被称为液体火箭发动机的心脏。
它的工作原理与汽车的涡轮增压器相似,利用燃气驱动涡轮旋转带动泵工作,将火箭贮箱中的低压推进剂进行增压,并实时输送给燃气发生器和推力室进行燃烧。
液体火箭发动机涡轮泵在设计时十分强调重量轻和高性能,很多涡轮泵组件被设计成接近于技术发展水平的极限。
因此,要使涡轮泵可靠,并能适应运载火箭或者宇宙飞船的要求,就必须解决许多方面的问题。
例如:为满足性能和重量的要求,涡轮泵必须在高速下工作,从而就必须具有在高速下满足寿命要求的轴承和密封。
此外,泵必须具有高抽吸性能的诱导轮,以减少贮箱的压力和重量。
目前在搞煤油液氧分级燃烧循环发动机发动机的航天机构,就是东唐和毛熊两家。
但分级燃烧循环发动机有很多种,太阳国和米粒家用的是氢氧发动机,他们一般是高压补氧。
火箭的核心是发动机,发动机的核心是燃料泵,因为火箭发动机本身只是一个很简单的空腔,关键问题是如何给它提供足够的燃料。
提供燃料的方式就是循环方式。
火箭发动机的循环方式,从目前的发展趋势来看大致是:挤压、膨胀、燃气涡轮、电推。
燃气涡轮下面可以分成燃气发生器、分级燃烧、全流量分级燃烧等几个种类。
都是用火箭燃料驱动一个小型发动机,然后驱动涡轮泵往外抽燃料。
燃气发生器是从燃料中抽出一部分,驱动燃气涡轮机,然后驱动涡轮泵抽更多的燃料供给主发动机。
燃气涡轮机产生的废气直接排出体外,太空探索公司的梅林发动机就是这个原理,因为利用过的燃料不参加二次循环,所以也叫开式循环。
更高级一点的是分级燃烧循环,燃气涡轮机产生的废气会和其他燃料一起进入主发动机再燃烧一次,避免浪费。
供给燃气涡轮机的燃料和氧化剂有两种混合方式,一种是燃料过剩,也就是富燃燃烧;一种是氧化剂过剩,也就是富氧燃烧。
其中富氧燃烧后的废气,流入主发动机需要补充更多燃料,所以叫补燃。
比分级燃烧循环再高级的,是全流量分级燃烧循环。
和抽部分燃料驱动涡轮不同,全流量是所有燃料都先燃烧一次驱动涡轮,可以提供更强大的涡轮动力,而且之后在主发动机混合后燃烧效果更好。
太空探索公司现在研制的猛禽发动机就是这种,燃料是甲烷,分别走富燃燃烧和富氧燃烧两个预燃室,然后在主燃烧室会和。
高压,说的是发动机的性能指标。
火箭是靠向后喷气产生推力的,决定喷气速度的是发动机燃烧室内部的压力(室压),压力高性能就好。
而且室压高,就意味着涡轮泵要有足够的压力才能把燃料送进发动机,所以涡轮泵发动机的性能肯定也会更高。
东唐航天系统的YF100的室压是18兆帕(1兆帕等于10标准大气压),属于高压,作为对比,猎鹰9的梅林发动机不到10兆帕。
不过米粒家的绝技是低室压高性能,土星五号的F1发动机就是低压燃气发生器循环。
不知不觉之间,黄豪杰的电动车已经到了氢氧发动机研究所门口。
几个安保人员连忙跑过来。
“老板,我马上去通知秦所长。”
“不用了,我直接进去就好了。”
氢氧发动机研究所依山傍水,有一大半以上的空间是在山体或者地下。
已经听到黄豪杰过来,所长秦同兴连忙过来。
“老板,欢迎过来指导工作。”
“氢氧发动机研发进度到哪里了?”
“我们正在研发磁悬浮轴承系统。”
“去看看。”
“请跟我来。”
一行人来到了一个正在研发磁悬浮轴承的实验室里面。
一台巨大的电动机正在疯狂的运转着。
“这个电动机就是我们采用了常温超导体和强磁斥材料研发的实验机。”秦同兴指着电动机介绍起来。
航天火箭发动机的涡轮系统,和汽车上面的涡轮系统不一样的地方,就是涡轮的动力来源。
汽车涡轮系统,按照动力来源可以划分为三种:废气涡轮、机械涡轮、电动涡轮。
废气涡轮顾名思义,就是利用排气管的废气推动涡轮;而机械涡轮,就是利用汽车的传动系统驱动涡轮;至于电动涡轮,就是利用电池驱动电动机,从而带动涡轮增压。
而航天火箭发动机上面的涡轮系统,一般是两种。
一种是小发动机涡轮,另一种是电动机涡轮。前者比较常见,后者由于电动机难以做到十几万以上的转速,目前正在研发阶段。
氢氧发动机研究所正在研发的,就是电动机涡轮系统。
“转速达到多少了?”
“每分钟15万转。”
黄豪杰满意的点了点头,能够做到这个转速,已经是非常难得了。
目前废气涡轮或者机械涡轮,可以达到12~16万转每分钟。
但是电动机最多就1万多转每分钟,这个还是直流电机,如果是交流电机,最多就3000转每分钟。
为什么电动机的转速这么低?
转子动力学决定了转子的线速度到达一定速度时(如150m/s),离心应力超过转子强度导致转子部分部件脱离。
这是所有高速电机共同面临的问题。
简单说,就是机械强度限制了转速。
另外对于有刷直流电机而言,转速过高导致换向器与电刷摩擦严重,电弧也显著增大,二者积聚的热量很快会烧毁电刷。
电机端部的轴承也有一定的转速限制,让转速拥有一个瓶颈。
说来说去,就是材料的问题。
如果材料达到要求,理论上直流电机的转速可以接近无限大。
材料学恰恰是银河科技的强项,所以在各种新材料的应用下,氢氧发动机研究所的电动机涡轮,转速才可以达到15万转每分钟。
“你们可以做到这个程度,我非常欣慰,再接再厉。”
“一定不会让老板和大家失望的。”秦同兴连忙说道。
“现在燃烧室的室压可以做到多少了?”黄豪杰接着问道。
“21~22兆帕是极限,我们预计将涡轮系统的转速提升到40~50万转每分钟,这样就可以将燃烧室的室压提升到30兆帕左右。”
“燃烧室可以承受30兆帕的压力吗?”
“没有问题,我们采用了纳米不锈钢材料,不仅仅强度非常大,而且可以承受2700摄氏度的极限高温,经过测试之后,新材料的燃烧室可以承受59兆帕是极限压力。”秦同兴解释道。
“电机的转速提升,你们可以和电机研究所交流合作。”
“这方面,我们经常和他们在交流合作。”
“嗯!”
黄豪杰在秦同兴的陪同下,继续在氢氧发动机研究所考察。
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